(57)【要約】  難削鋳鉄からなる被加工物（２０）の下穴（２１）の内部に、先端部に切削チップ（１１）が取り付けられた切削工具（１０）が挿入され、下穴（２１）の壁面が切削加工される。このとき、切削工具（１０）は、軸（α）周りに自転するとともに、軸（β）周りに公転することにより、被加工物（２０）は、工具（１０）によってコンタリング加工される。そして、切削チップ（１１）はＣＢＮの含有率が８５体積％以上の焼結体からなっており、かつ切削チップ（１１）の熱伝導率は１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上となっている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
難削鋳鉄からなる被加工物（２０）を準備する工程と、
切削チップ（１１）を有する切削工具（１０）を用いて前記被加工物（２０）を切削加工する工程とを備え、
前記被加工物（２０）を切削加工する工程では、前記切削工具（１０）が自転しつつ公転することにより前記切削チップ（１１）が前記被加工物（２０）に対して断続的に接触し、
前記切削チップ（１１）はＣＢＮの含有率が８５体積％以上の焼結体からなり、
前記切削チップ（１１）の熱伝導率は１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である、難削鋳鉄の加工方法。
【請求項２】
前記被加工物（２０）を切削加工する工程においては、前記切削チップ（１１）と前記被加工物（２０）とが接触している時間である接触時間をＸ、前記切削チップ（１１）が前記被加工物（２０）と離れた状態で空転する時間である空転時間をＹとした場合、Ｘは０．２μｓｅｃ以上２μｓｅｃ以下、Ｘ／Ｙは０．０６以上０．１６以下であることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の難削鋳鉄の加工方法。
【請求項３】
前記切削チップ（１１）の熱伝導率は１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、
前記被加工物（２０）を切削加工する工程における切削速度は１０００ｍ／ｍｉｎ．以上であることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の難削鋳鉄の加工方法。
【請求項４】
前記切削チップ（１１）を構成するＣＢＮ粒子の平均粒径は３μｍ以上である、請求の範囲第１項に記載の難削鋳鉄の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は難削鋳鉄の加工方法に関し、より特定的には、ＣＢＮ（Ｃｕｂｉｃ  Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ；立方晶窒化硼素）を含む切削チップを用いた難削鋳鉄の切削加工において、切削チップの長寿命化と切削速度の向上とを両立させることを可能とする難削鋳鉄の加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＦＣ材を除く鋳鉄、すなわち難削鋳鉄であるＦＣＤ材、ＦＣＶ材、ＣＧＩ材、ＡＤＩ材などの切削加工においては、超硬コーティングチップを用いた低速加工（切削速度Ｖが２００ｍ／ｍｉｎ．以下）が採用されるのが一般的である。また、切削速度を向上させることを目的として、ＣＢＮを含む焼結体（ＣＢＮ焼結体）からなる切削チップが難削鋳鉄の切削加工に採用される場合がある。しかし、ＣＢＮ焼結体からなる切削チップを用いた場合でも、切削速度を４００ｍ／ｍｉｎ．以上に高めると、切削チップに急速な摩耗の進展や欠損が発生するため、さらなる高速加工は困難であるという問題があった。【０００３】
さらに、ＦＣ材（遠心鋳造鋳鉄を除く）の切削加工においては、ＣＢＮの含有率が８５体積％以上のいわゆる高含有率系のＣＢＮ焼結体からなる切削チップを用いることにより、切削速度Ｖが１０００ｍ／ｍｉｎ．以上の高速連続加工が一部で実用化されている。しかし、難削鋳鉄の切削加工においては、切削加工時において切削チップの刃先温度が上昇しやすく、鉄との反応性が高いＣＢＮの含有率が高い高含有率系のＣＢＮ焼結体からなる切削チップを採用すると、切削チップの摩耗が著しく速く進行する。そのため、難削鋳鉄の切削加工には、高含有率系のＣＢＮ焼結体からなる切削チップの採用が難しいという問題がある。そして、このような問題を回避するため、難削鋳鉄の切削加工にはＴｉＣ（炭化チタン）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）、ＳｉＡｌＯＮ（サイアロン）等のセラミックスの焼結体や、これらのセラミックス粉末とＣＢＮ粒子とを混合して超高圧焼結したＣＢＮ焼結体（いわゆる低含有率ＣＢＮ焼結体）からなる切削チップが採用されるが、上述のように、切削速度は４００ｍ／ｍｉｎ．以下に抑えられているのが現状である。【０００４】
一方、切削チップを有する切削工具を用いて被加工物を切削加工する際、切削工具が自転しつつ公転することによって、切削チップが被加工物に対して断続的に接触するコンタリング加工が知られている（たとえば特開平１１−３４７８０３号公報（特許文献１）および特開平８−３９３２１号公報（特許文献２）参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３４７８０３号公報
【特許文献２】特開平８−３９３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献に記載されたコンタリング加工方法を採用するのみでは、加工精度等の向上は達成可能であるものの、難削鋳鉄の切削加工における近年の高能率加工や切削チップの長寿命化の要求に対応することは困難である。【０００７】
そこで、本発明の目的は、難削鋳鉄の切削加工において、切削チップの長寿命化と加工能率の向上とを両立させることが可能な難削鋳鉄の加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に従った難削鋳鉄の加工方法は、難削鋳鉄からなる被加工物を準備する工程と、切削チップを有する切削工具を用いて被加工物を切削加工する工程とを備えている。被加工物を切削加工する工程では、切削工具が自転しつつ公転することにより切削チップが被加工物に対して断続的に接触する。上記切削チップは、ＣＢＮの含有率が８５体積％以上の焼結体からなっている。そして、切削チップの熱伝導率は１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。【０００９】
本発明者は、難削鋳鉄の切削加工において、切削チップの長寿命化と加工能率の向上とを両立させる方策について詳細な検討を行なった。そして、切削速度Ｖを１００ｍ／ｍｉｎ．以下の低速に設定した場合、難削鋳鉄の切削加工においても切削チップの摩耗速度が大幅に小さくなるという知見に基づき、熱伝導率の高いＣＢＮ焼結体からなる切削チップの採用と、切削工具が自転しつつ公転することにより切削チップが被加工物に対して断続的に接触するコンタリング加工とを組み合わせることにより、切削チップの摩耗速度を著しく低減できることを見出し、本発明に想到した。【００１０】
より具体的には、本発明の難削鋳鉄の加工方法においては、切削工具が自転しつつ公転することにより切削チップが被加工物に対して断続的に接触するコンタリング加工が採用される。そのため、切削チップは被加工物に対して接触する状態と、接触することなく空転する状態とを繰り返すこととなる。その結果、被加工物との接触時に加熱された切削チップは、空転時に冷却されるため、加工時の切削チップの温度上昇が抑制される。また、本発明の難削鋳鉄の加工方法では、切削チップの熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上という高い値に設定されるため、切削チップからの放熱が効率よく進行し、加工時の切削チップの温度上昇が一層抑制される。その結果、切削チップの温度が限度を超えて上昇する前に冷却され、高い切削速度を採用した場合でも、ＣＢＮ焼結体からなる切削チップにおいて鉄との反応によって生じる著しい摩耗の進行が回避される。【００１１】
一方、本発明の難削鋳鉄の加工方法においては、上述のようにコンタリング加工が採用されるため、断続切削によって切削チップには衝撃が繰り返し作用する。これに対し、ＣＢＮの含有率が８５体積％以上の焼結体からなる切削チップが採用されるため、切削チップの強度が向上し、欠損などの損傷の発生が有効に抑制される。【００１２】
以上のように、本発明の難削鋳鉄の加工方法によれば、切削チップの長寿命化と加工能率の向上とを両立させることが可能となる。【００１３】
なお、上記本発明の難削鋳鉄の加工方法において、切削チップを構成する焼結体のＣＢＮの含有率を８５体積％未満とすると、上述の衝撃の繰り返しに対して材料強度が不十分となり、欠損等の損傷が発生するおそれがある。そのため、本発明においてはＣＢＮの含有率を８５体積％以上とした。また、上記本発明の難削鋳鉄の加工方法において、切削チップの熱伝導率を１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満とすると、切削時に発生した切削熱の放熱作用が小さくなる。その結果、熱履歴の温度幅が大きくなり、これに起因して刃先に熱亀裂が発生し、欠損に至るまでの寿命が短くなるおそれがある。そのため、本発明においては、切削チップの熱伝導率を１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とした。【００１４】
上記難削鋳鉄の加工方法において好ましくは、被加工物を切削加工する工程においては、切削チップと被加工物とが接触している時間である接触時間をＸ、切削チップが被加工物と離れた状態で空転する時間である空転時間をＹとした場合、Ｘは０．２μｓｅｃ（マイクロ秒）以上２μｓｅｃ以下、Ｘ／Ｙは０．０６以上０．１６以下である。【００１５】
切削チップの刃先と被加工物との接触時には、切削熱が蓄積され刃先温度が上昇する一方、空転時には刃先は冷却されてその温度は低下する。ここで、上述のように、切削速度Ｖを１００ｍ／ｍｉｎ．以下の低速に設定した場合、難削鋳鉄の切削加工において切削チップの摩耗速度が大幅に小さくなるが、たとえば切削速度Ｖを２０ｍ／ｍｉｎ．以下のごく低速にまで落とすと摩耗が増大する。この知見に基づき、摩耗速度が極小となる刃先温度が存在するという仮説から、種々の実験を実施した結果、高能率の加工を実現しつつ最適な刃先温度を維持することが可能な最適な切削チップと被加工物との接触時間および空転時間を見出した。具体的には、本発明者による検討の結果、Ｘを０．２μｓｅｃ以上２μｓｅｃ以下とするとともに、Ｘ／Ｙを０．０６以上０．１６以下とすることにより、切削チップの摩耗速度を著しく低減しながら高能率加工を実現できることが明らかとなった。【００１６】
ここで、本願において「接触時間」とは、切削工具が１回自転する間に切削チップが被加工物に接触している時間を意味している。また、「空転時間」とは、切削工具が１回自転する間に切削チップと被加工物とが離れている時間（接触していない時間）を意味している。【００１７】
上記難削鋳鉄の加工方法において好ましくは、切削チップの熱伝導率は１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、被加工物を切削加工する工程における切削速度は１０００ｍ／ｍｉｎ．以上である。【００１８】
切削チップの熱伝導率を１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とすることにより、１０００ｍ／ｍｉｎ．以上の切削速度を採用した場合でも、切削チップの摩耗を十分に抑制することが可能となる。【００１９】
上記難削鋳鉄の加工方法において好ましくは、切削チップを構成するＣＢＮ粒子の平均粒径は３μｍ以上である。ＣＢＮ粒子の平均粒径を３μｍ以上とすることにより、切削チップの熱伝導率を容易に向上させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上の説明から明らかなように、本発明の難削鋳鉄の加工方法によれば、難削鋳鉄の切削加工において、切削チップの長寿命化と切削速度の向上とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の加工方法を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、難削鋳鉄からなる被加工物に対して穴加工を実施する場合を例に、図面に基づいて本発明の一実施の形態を説明する。本実施の形態における穴加工においては、まず難削鋳鉄からなる被加工物が準備される。具体的には、たとえば図１に示すように、ＦＣＤ材、ＦＣＶ材、ＣＧＩ材、ＡＤＩ材などの難削鋳鉄からなり、円筒状の下穴２１が形成された被加工物２０が準備される。そして、先端部に切削チップ１１が取り付けられた切削工具１０が、当該下穴２１の内部に挿入され、下穴２１の壁面が切削加工される。
【００２３】
このとき、図１を参照して、切削工具１０は、軸α周りに、すなわち矢印Ａに沿って自転するとともに、下穴２１の中心軸に一致する軸β周りに、すなわち矢印Ｂに沿って公転する。これにより、切削チップ１１は、下穴２１の壁面に断続的に接触し、当該壁面を切削加工する。つまり、被加工物２０は、工具１０によってコンタリング加工される。
【００２４】
ここで、本実施の形態においては、切削チップ１１はＣＢＮの含有率が８５体積％以上の焼結体からなっている。さらに、切削チップ１１の熱伝導率は１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。
【００２５】
本実施の形態における穴加工においては、切削工具１０が自転しつつ公転することにより、切削チップ１１が被加工物２０に形成された下穴２１の壁面に対して断続的に接触するコンタリング加工が実施される。そのため、切削チップ１１は被加工物２０に対して接触状態と空転状態とを繰り返す。その結果、被加工物２０との接触時に加熱された切削チップ１１は、空転時に冷却されるため、加工時の切削チップ１１の温度上昇が抑制される。また、本実施の形態の穴加工では、切削チップ１１の熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上となっているため、切削チップ１１からの放熱が効率よく進行し、加工時の切削チップ１１の温度上昇が一層抑制される。その結果、切削チップ１１の温度が限度を超えて上昇する前に冷却され、高い切削速度を採用した場合でも、ＣＢＮ焼結体からなる切削チップ１１において鉄との反応によって生じる著しい摩耗の進行が回避される。
【００２６】
一方、本実施の形態の穴加工においては、コンタリング加工が採用されるため、断続切削によって切削チップ１１には衝撃が繰り返し作用するが、ＣＢＮの含有率が８５体積％以上の焼結体からなる切削チップ１１が採用されることにより、切削チップ１１の強度が向上し、欠損などの損傷の発生が有効に抑制される。このように、本実施の形態の穴加工では、切削チップの長寿命化と加工能率の向上との両立が達成されている。
【００２７】
さらに、本実施の形態の穴加工においては、切削チップ１１と被加工物２０との接触時間をＸ、空転時間をＹとした場合、Ｘは０．２μｓｅｃ以上２μｓｅｃ以下、Ｘ／Ｙは０．０６以上０．１６以下とすることが好ましい。これにより、切削チップ１１の摩耗速度を著しく低減しながら高能率加工を実現できる。
【００２８】
また、本実施の形態の穴加工においては、切削チップ１１の熱伝導率は１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、切削速度は１０００ｍ／ｍｉｎ．以上であることが好ましい。切削チップ１１の熱伝導率を１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とすることにより、１０００ｍ／ｍｉｎ．以上の切削速度を採用した場合でも、切削チップ１１の摩耗が十分に抑制され、加工の高能率化が達成される。
【００２９】
さらに、本実施の形態の穴加工においては、切削チップ１１を構成するＣＢＮ粒子の平均粒径は３μｍ以上であることが好ましい。これにより、切削チップ１１の熱伝導率を容易に向上させることができる。
【００３０】
なお、上述のように切削チップ１１の熱伝導率の向上は、たとえば切削チップ１１を構成するＣＢＮ粒子の粒径を大きくすることにより達成することができるほか、切削チップ１１の組成を調整することにより達成することができる。具体的には、切削チップ１１において結合相よりも熱伝導率が高いＣＢＮ粒子の含有率を高めることが有効であり、ＣＢＮ粒子の含有率を８５体積％以上とすることにより、ＣＢＮ粒子同士の接触率が高くなり、熱伝導率が向上する。より熱伝導率を向上させるためには、ＣＢＮ粒子の含有率は９０体積％以上であることが好ましい。また、ＣＢＮ粒子の粒径を大きくすることにより容易に熱伝導率を向上させることが可能であるが、ＣＢＮの粒径を過度に大きくすると切削チップ１１の強度が低下する。そのため、ＣＢＮの粒径は２０μｍ以下とすることが好ましく、切削チップ１１の熱伝導率の向上は、強度と熱伝導率とを同時に向上させることが可能なＣＢＮ粒子の高含有率化により達成することが好ましい。
【実施例】
【００３１】
（実施例１）
以下、実施例１について説明する。ＣＢＮ焼結体からなる切削チップを用いて、難削鋳鉄であるＦＣＤ４５０からなる被加工物に対してコンタリング内径加工および連続内径加工を実施することにより、切削チップの摩耗量に及ぼす加工方法、切削チップのＣＢＮ含有率および切削チップの熱伝導率の影響を調査する実験を行なった。表１にコンタリング内径加工の加工条件、表２に連続内径加工の加工条件を示す。また、切削チップのＣＢＮ含有率および熱伝導率、ならびに切削加工により被加工物から除去された切り屑の体積が５０ｃｍ３となった時点における切削チップの逃げ面摩耗量を表３に示す。なお、切削チップは型番ＣＮＧＡ１２０４０８を採用した。また、実施例Ａ〜Ｃおよび比較例ＡのＣＢＮ焼結体を構成する結合材は、ＷＣ、Ｃｏ化合物およびＡｌ化合物を少なくとも含有している。一方、比較例ＢのＣＢＮ焼結体の結合材は、Ｔｉ化合物およびＡｌ化合物を少なくとも含有している。【００３２】
【表１】
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【００３３】
【表２】
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【００３４】
【表３】
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【００３５】
表３を参照して、同一の切削チップを採用した本発明の実施例Ｂと本発明の範囲外である比較例Ａとを比較すると、加工能率が同じであるにもかかわらず、実施例Ｂの逃げ面摩耗量は、比較例Ａの逃げ面摩耗量に比べて大幅に少なくなっている。これは、コンタリング加工を採用した実施例Ｂにおいては、被加工物に対する切削チップの刃先の接触時間が数マイクロ秒以下と短かく、刃先の温度が限度を超えて上昇する前に空転により冷却されるため、刃先が連続的に接触する比較例Ａに比べて摩耗が抑制されたものと推定される。この結果より、ＣＢＮ焼結体からなる切削チップを用いた難削鋳鉄の切削加工にコンタリング加工を採用することによって、切削チップの摩耗速度を大幅に低減できることが確認される。【００３６】
また、いずれもコンタリング加工を採用した実施例Ａ〜Ｃと比較例Ｂを比較すると、比較例Ｂの逃げ面摩耗が多くなっている。これは、比較例Ｂの熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であるため、刃先温度が上がり易いことに加え、ＣＢＮ含有率が８５体積％未満であることにより材料強度が低く、機械的な摩耗が支配的に発達したことに起因するものと考えられる。このことから、ＣＢＮ焼結体からなる切削チップを用いた難削鋳鉄の切削加工にコンタリング加工を採用することを前提として、切削チップのＣＢＮの含有率を８５体積％以上にするとともに、熱伝導率を１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とすることにより、切削チップの摩耗を十分に抑制できることが確認される。【００３７】
さらに、実施例Ａ〜Ｃに注目すると、切削チップのＣＢＮ含有率が高く、熱伝導率が高い順に逃げ面摩耗量も小さくなっている。これは、熱伝導率が高い程、放熱作用が大きいため刃先温度の上昇が抑制され、かつ、CBN含有率が高い程、材料強度が高いため機械的な摩耗が抑制されるためであると推定される。【００３８】
（実施例２）
次に、実施例２について説明する。ＣＢＮ焼結体からなる切削チップを用いて、難削鋳鉄であるＦＣ２５０からなる被加工物に対してコンタリング内径加工を実施することにより、切削チップの摩耗量および熱亀裂の発生に及ぼすＣＢＮの平均粒径および切削チップの熱伝導率、ならびに切削チップと被加工物との接触時間および空転時間の影響を調査する実験を行なった。切削条件等を表４に、切削チップを構成するＣＢＮの平均粒径および切削チップの熱伝導率、ならびに切削加工により被加工物から除去された切り屑の体積が５０ｃｍ３となった時点におけるの切削チップの逃げ面摩耗量および熱亀裂の本数を表５に示す。なお、刃先の接触時間Ｘおよび空転時間Ｙは、使用するカッタ径を調整することにより変更した。また、実施例Ｄ〜ＧのＣＢＮ焼結体を構成する結合材は、ＷＣ（炭化タングステン）、Ｃｏ（コバルト）化合物、Ａｌ（アルミニウム）化合物からなる群から選択される少なくとも１種の物質を含有している。【００３９】
【表４】
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【００４０】
【表５】
2011052682.tif 000007
【００４１】
表４および表５を参照して、接触時間Ｘが０．２μｓｅｃ以上２μｓｅｃ以下で、かつ空転時間Ｙに対する接触時間Ｘの比であるＸ／Ｙが０．０６以上０．１６以下である実施例Ｅの逃げ面摩耗量が本実験において最も小さくなっている。一方、接触時間Ｘが０．２μｓｅｃ以上２μｓｅｃ以下であるもののＸ／Ｙが０．０６以上０．１６以下の範囲外となっている実施例Ｄの逃げ面摩耗量は、上記実施例Ｅに次いで小さくなっている。さらに、接触時間Ｘが０．２μｓｅｃ以上２μｓｅｃ以下の範囲外であり、かつＸ／Ｙが０．０６以上０．１６以下の範囲外となっている実施例ＦおよびＧは、上記実施例ＤおよびＥよりも逃げ面摩耗量が大きくなっている。この結果から、接触時間Ｘを０．２μｓｅｃ以上２μｓｅｃ以下とし、かつＸ／Ｙを０．０６以上０．１６以下とすることにより、切削チップと被加工物との接触時間および空転時間が最適化され、切削チップの摩耗速度を著しく低減しながら高能率加工を実現できることが確認された。【００４２】
また、ＣＢＮ粒子の平均粒径が０．７μｍである比較例Ｃは、同じ加工条件でＣＢＮ粒子の平均粒径が３μｍ以上である実施例Ｆと比較して逃げ面摩耗量は同程度であるものの、刃先に熱亀裂が発生している。これは、ＣＢＮ粒子が実施例Ｆの切削チップに比べて微粒である比較例Ｃの切削チップは、熱伝導率が低いため、切削時に発生した切削熱の放熱作用が実施例Ｆより小さく、熱履歴の温度幅が大きくなったため、刃先に熱亀裂が発生したものと考えられる。この結果から、切削チップを構成するＣＢＮ粒子の平均粒径を３μｍ以上とすることにより、切削チップの熱伝導率を向上させ、刃先における熱亀裂の発生を抑制可能であることが確認される。【００４３】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の難削鋳鉄の加工方法は、切削チップの長寿命化と切削速度の向上との両立が求められる難削鋳鉄の加工に、特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【００４５】
１０  切削工具、１１  切削チップ、２０  被加工物、２１  下穴。
【図１】
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【国際調査報告】
2011052682.tif 000009
2011052682.tif 000010
2011052682.tif 000011
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